在铁路隧道施工中，混凝土管片的配筋率会影响其力学性能，进而影响结构稳定性及结构强度。在跨国铁路工程中，依据欧洲标准设计生产的隧道管片以普通混凝土为原料，表现出配筋率较高现象，难以控制钢筋间的距离，导致结构应力集中，引发离析问题，影响工程质量。因此，有必要引进新型混凝土原料。1钢纤维自密实混凝土管片力学性能的试验为评估钢纤维自密实混凝土管片的力学性能，分析钢纤维在混凝土中替代钢筋的可行性，本文以某跨国铁路工程为例，选择对称倾角梁构件为试验对象，选出最佳材料，实现隧道管片的优化，使其满足跨国铁路施工要求。1.1试验材料试验材料及来源如下：（1）水泥，大连某水泥企业生产的P·Ⅱ52.5R普通硅酸盐水泥；（2）钢纤维，长度为35 mm，等效直径为0.55 mm，型号为Dramix RC65/35BN端部弯钩钢纤维；（3）钢筋，型号为HRB400，横筋直径为14 mm，纵筋直径为10 mm；（4）骨料，细骨料选择河砂及中砂，粒径控制在0~5 mm之间，粗骨料选择石灰石碎石，粒径控制在5~10 mm之间；（5）减水剂选择聚羧酸高效减水剂[1]。1.2试验方法应用上述原料，按照欧洲自密实混凝土标准进行混凝土的配置，配比如下：水泥390 kg/m³、粉煤灰150 kg/m³、砂石808 kg/m³、水178 kg/m³、高效减水剂9.72 kg/m³。在混凝土配置中，钢纤维的添加量分别为0、25 kg/m³和50 kg/m³；箍筋配箍率分别为0、0.295%、0.593%；纵筋配筋率分别为2.6%和2.2%，共六个试验方案，如表1所示。10.3969/j.issn.2096-1936.2021.01.036.T001表1试验方案统计表方案钢纤维添加量/（kg/m³）箍筋间距/mm箍筋配箍率纵向钢筋配置纵筋配筋率方案一0800.5933Φ142.6方案二25800.5933Φ142.6方案三251500.2953Φ142.6方案四501500.2953Φ142.6方案五50∞03Φ142.6方案六50800.5932Φ14+1Φ102.2在上述方案中，方案一为普通钢筋混凝土，其余均为钢纤维自密实混凝土。所有钢筋构件规格一致，对称倾角梁的结构与参数如图1所示。10.3969/j.issn.2096-1936.2021.01.036.F001图1对称倾角梁检测结构示意图（单位：mm）在对称倾角梁的跨中和加载点设置3个位移传感器，用于检测位移参数；在对称倾角梁的纵筋中安装钢筋应变片，通过1 000 kN液压伺服试验机检测分析构件荷载与挠度的关系。设备的加载速度设定为0.5 mm/min，以等速位移方式进行控制。2钢纤维自密实混凝土管片力学性能试验结果分析2.1抗压强度试验结果显示，方案一的构件抗压强度为60.5 MPa，方案二和方案三的构件抗压强度平均值为61 MPa；其余方案的构件抗压强度平均值为60.3 MPa。对比试验结果可知，普通钢筋混凝土的抗压强度略高于钢纤维自密实混凝土，钢纤维添加量越大，混凝土的抗压强度越低。但所有方案的抗压强度均满足铁路隧道施工要求，可在工程实践中应用。钢纤维自密实混凝土抗压强度偏低的原因在于钢纤维的加入，使混凝土的脆性降低。2.2管片承载力在荷载试验中，各个方案的构件均出现剪切破坏现象，对比各个方案的荷载-挠度曲线发现，钢纤维的添加可有效增强混凝土构件的力学性能。和普通钢筋混凝土相比，钢纤维混凝土的极限承载力更高，能力吸收能力更强。例如，方案五和方案三的极限承载力相差无几。在极限荷载后，各个方案的构件承载力降低约15%~30%，并保持稳定状态。在该过程中，方案三和方案四的构件承载力降低程度最低，其剩余承载力显著高于方案一和方案五。出现该现象的原因在于方案一未添加钢纤维，方案五未配置箍筋。方案六和方案一的构件在荷载前的刚度相差无几，但荷载后，方案六构件的各项力学性能均优于方案一。在荷载试验中，结合荷载与挠度、纵筋的应变曲线，可计算各个方案的正截面开裂荷载、极限荷载、极限荷载增幅及开裂荷载下的构件挠度[2]。对比各个方案的荷载数据，发现各个方案间的正截面开裂荷载相差无几，对应的挠度变化不大，但极限荷载相差较大。方案一极限荷载为157.4 kN，方案二为174.1 kN，方案三为165.2 kN，方案四为180.3 kN，方案五为166.9 kN，方案六为192.1 kN。2.3管片韧性目前的技术水平，隧道管片韧性检测主要根据梁抗弯试验结果绘制荷载-跨中挠度全曲线，计算其与坐标轴组成图形的面积，了解构件开裂后的能量吸收能力，进而明确钢纤维对构件开裂的影响，分析指标选为等效抗弯强度。在本试验分析中，分析参数包括D8f、D12f、ffeq,8和ffeq,12。D8f是指跨中挠度为（δer+8 mm）情况下混凝土的能量吸收能力；D12f是指跨中挠度为（δer+12 mm）情况下混凝土的能量吸收能力；ffeq,8是指跨中挠度为（δer+8 mm）情况下混凝土的等效抗弯强度；ffeq,12是跨中挠度为（δer+12 mm）情况下混凝土的等效抗弯强度。计算结果如表2所示。10.3969/j.issn.2096-1936.2021.01.036.T002表2管片韧性计算结果表方案D8f/（kN·mm）D12f/（kN·mm）ffeq,8/（kN·mm）ffeq,12/（kN·mm）等效抗弯强度变化率/%方案一719.51 125.820.118.86.1方案二886.21 450.023.924.21.1方案三889.71 402.724.223.44.7方案四928.41 483.625.724.64.9方案五860.61 215.423.820.114.8方案六842.81 386.223.622.92.5结合上表数据可知，钢纤维的添加量越高，混凝土管片的韧性参数越强。和方案一的普通混凝土构件相比，方案二的能量吸收能力提升程度约28%；在钢纤维自密实混凝土构件中，和方案二相比，方案三和方案四的能量吸收能力提升约24%与31%。2.4钢纤维应用的可行性分析综合上述试验结果可知，和普通钢筋混凝土相比，钢纤维自密实混凝土的各项性能更为优异。具体可从以下几方面分析：（1）对比方案一与方案六，方案六的混凝土构件极限承载力更高。在挠度为（δer+8 mm）情况下，对比方案一和方案五，方案五的能量吸收能力更高。随着位移的提升，方案五的承载力下降速度高于其他钢纤维混凝土构件方案，说明箍筋的配置会影响混凝土构件的韧性。综合对比方案一与其他方案，发现钢纤维混凝土的各项性能更高，说明钢纤维可替代钢筋。（2）对比方案一与二、三，在钢纤维替代部分钢筋后，极限承载力分别提升约5%和14.4%；挠度为（δer+8 mm）情况下，能量吸收能力分别提升约22%和24%；在挠度为（δer+12 mm）情况下，能量吸收能力分别提升约24%和31%。对比方案二、三和方案四、六，在钢纤维添加量增多后，极限承载力分别提升约22%和18%；在挠度为（δer+8 mm）情况下，能量吸收能力分别提升约17%和19%；在挠度为（δer+12 mm）情况下，能量吸收能力分别提升约21%和25%。综合上述对比结果，施工单位可在传统混凝土配置中添加适量钢纤维，通过钢纤维与钢筋的配合使用，混凝土构件的力学性能有较大改善，极限承载力更高，能量吸收能力更强，韧性更为优异，可满足铁路工程隧道管片施工要求，解决传统管片存在的结构应力集中或混凝土离析问题，值得推广普及。在钢纤维自密实混凝土管片应用中，根据不同工程特点，钢纤维的添加量不同。对于岩层相对稳定、隧道管片受力偏小的区域，可选择方案五配置混凝土；对于受力复杂、结构易变形的区域，可选择方案三，由钢纤维替代部分钢筋，并适当提高钢筋间距，避免管片构件出现变形，尽最大限度发挥原材料优势，提高结构性能，保障结构施工质量，使工程效益更高[3]。3结语综上所述，在钢纤维自密实混凝土管片力学性能分析中，和普通钢筋混凝土相比，抗压强度略低，但满足铁路隧道施工要求；极限荷载更高，承载力更强；混凝土管片的韧性更强。可将钢纤维替代传统钢筋，作为铁路工程隧道管片的混凝土原料，提高混凝土构件的力学性能，提高隧道施工质量。